潮汐咸水的納濾膜集成處理系統

畢 飛，陳小潔，陳水超，陳歡林，孫志林

（1.浙江大學膜與水處理技術教育部工程研究中心，杭州 310027；2.浙江大學海洋科學與工程學系，杭州 310058）

潮汐咸水的納濾膜集成處理系統

畢 飛1，陳小潔1，陳水超1，陳歡林1，孫志林2

（1.浙江大學膜與水處理技術教育部工程研究中心，杭州 310027；2.浙江大學海洋科學與工程學系，杭州 310058）

本文以錢塘江潮汐咸水為研究對象，將納濾膜集成技術用于潮汐咸水制備飲用水。通過對納濾膜選擇與性能評價、中試集成工藝優化，以及500 m3/d的納濾集成示范系統的運行試驗，結果表明：對于潮汐咸水水源，應用納濾膜集成系統可有效脫除鹽分，降低水體中的有機污染物含量，對促進潮汐地區的飲水安全具有保障作用。

錢塘江；潮汐咸水；納濾膜；飲水安全

1 前言

近幾年來，膜濾技術在飲用水制備領域的應用逐漸增多，規模不斷擴大，已被認可為我國第三代飲用水工藝的核心技術。特別是納濾膜技術不僅能保證生物安全，而且對如殺蟲劑、除草劑等有機化合物具有較高截留率，在水源水質波動條件下仍能滿足最終供水的要求。因此，對南方經濟發達地區的水質性缺水現象，納濾膜技術的開發成功很大程度上擴大了飲用水水源的范圍[1～4]。

錢塘江潮汐變化景觀舉世聞名，也是杭州市民的重要飲用水源地。近十年來錢塘江河口水體嚴重惡化，其隨潮汐咸水上溯對中、上游取水口水質的影響逐漸顯現。為了解錢塘江潮汐咸水變化對水源水質的影響程度，保障杭州市民的飲水安全，本文通過近三年的數據采集與分析、納濾膜集成示范系統的運行試驗，獲得了初步的結果并積累了一定的經驗，為相關決策部門提供了一套潮汐水源保障飲水安全的可行性方案。

2 錢塘江水源水質的潮汐影響

圖1 錢塘江水源取水口與檢測點分布Fig.1 The water intake and testing point of Qiantang River

圖1為錢塘江主要取水口示意圖。2010年起在杭州與蕭山水文局領導和相關工作人員的配合下，筆者對錢塘江不同取水口水源的鹽度進行采樣檢測，水源取樣口從錢塘江中游到上游，共計6個采樣點，分別為蕭山倉前、蕭山城北、杭州七堡、杭州之江、蕭山聞堰、蕭山臨浦（浦陽江）。經過近三年的實地取水和水質分析，對錢塘江水體受潮汐影響的情況有了初步的了解。圖2為2011年錢塘江某水文站潮汐導致咸水體電導率的變化情況。

圖2 2011年錢塘江某水文站潮汐導致咸水體電導率變化曲線Fig.2 The curve of salty water conductivity changed by tide of Qiantang River hydrologic station in 2011

錢塘江水體電導率受潮汐影響，基本呈一月兩次周期性變化。沒有咸潮時，錢塘江水體的電導率通常為300 μS/cm左右；而當大咸潮來臨時，其電導率可達到11 000 μS/cm（2011年）。

3 納濾膜的選擇與性能評價

針對錢塘江飲用水源水質受潮汐影響不穩定的特點，本研究進一步開展不同礦化度條件下的咸潮水納濾膜集成處理研究。按照納濾膜對氯化納的截留性能，選擇了3種納濾膜進行測試，并與一種超低壓反滲透膜的測試結果進行對比。表1為進行納濾膜評價實驗的模擬咸水組成及實驗條件變化范圍，文中選擇DOW化學公司的NF270膜的部分測試性能進行說明[5]。

表1 模擬咸水組成及實驗條件變化范圍Table1 The variation of the composition of simulate salty water and experimental condition

3.1 納濾產水特性分析

在實際應用中，對于反滲透膜系統要分別考慮濃水流量和濃產水流量比對系統性能的影響。因為對于產水通量較低的系統，即使濃產水流量比大于某值，也有可能因濃水流量較小（即濃水流速較低）、湍流效果弱造成膜表面污染物的累積。對于納濾膜元件也分別討論濃水流量和濃產水流量比對膜性能的影響。如圖3所示，對給定氯化鈉溶液（即含鹽量、溫度和pH不發生變化），分別在3個進水壓力條件下，改變膜表面流量時，產水通量在給定進水壓力下基本不發生變化，甚至隨著濃水流量的減小，產水通量略有升高的趨勢，原因是流量減小降低了流道內的阻力，致使凈推動壓力增加。可見與反滲透系統要求的濃產水流量比大于5∶1的限定有很大的區別。圖3測試條件為水溶液的氯化鈉濃度為500 ppm，pH=6.5～7.0，溫度為29.5～30℃。

圖3 不同壓力下濃水流量與通量變化Fig.3 The variation of the producing water flux with concentrated water flux under different pressures

3.2 鹽的截留特性

實驗中截留率為膜元件的表觀截留率，即直接用產水電導率和進水電導率計算得出，考察其變化規律。如圖4所示，不同壓力條件下，納濾膜截留性能隨濃水流量的變化規律基本相近，隨著濃水流量的減小而下降，且隨著濃水流量降為零，各壓力條件下的截留率也均接近為零。圖4的測試條件與圖3相同。

圖4 不同壓力下濃水流量與截留率變化Fig.4 The variation of the producing water rejection with concentrated water flux under different pressures

對咸潮水體納濾前后化學需氧量（COD）變化的測試結果表明：錢塘江咸潮水的納濾處理可以去除大部分有機物，其納濾處理后COD的平均去除率達到58.77%。咸潮水納濾前后COD的變化見圖5。對水源中的鹽分，可根據事先要求來選擇合適的納濾膜，其去除率可在30%～70%變動。

圖5 咸潮水納濾前后COD的變化Fig.5 The variation of COD of the tidal salty water before and after the nanofiltration process

4 納濾膜的預處理工藝的比較

納濾膜集成系統的預處理單元十分重要。本文對傳統砂濾和超濾膜過濾進行對比，分別用SDI膜片分析評價納濾膜系統的進水水質情況，監測納濾膜的連續運行數據。結果表明，兩種預處理條件下納濾膜系統運行參數均較為穩定，但比較SDI膜片，自來水水源+砂濾工藝SDI膜片的膠體污染較為明顯，而超濾對膠體物質的截留優勢明顯。最終選擇超濾+納濾的集成系統為本文所采用的工藝路線。集成膜系統對無機鹽能適度截留，對有機物去除效果較好，對水源水質波動的適應性較強，是潮汐變化影響供水安全的優選方案。

5 納濾膜集成示范裝置

根據前期工作的成果，2011年在杭州某自來水廠建成一套超濾+納濾集成示范系統，日產納濾自來水500 m3[6]。其工藝單元為自清洗過濾器+超濾+納濾，納濾單元產生的濃鹽水再進入反滲透裝置提高利用率，系統水利用率收率大于90%。因為納濾膜部分脫鹽的特性，產水水質對管網腐蝕性較小，且進水水體與出水水體的pH相近。圖6分別為某水廠現有超濾與納濾裝置。

6 結語

圖6 潮汐高咸水納濾膜集成處理示范系統（500 m3/d）Fig.6 The demonstrated system(500 m3/d)of treatment of tidal salty water by integrated processes of ultrafiltration and nanofiltration

本文所開展的水源水采樣、水質檢測分析，納濾膜及其集成工藝設計，以及500 t/d納濾自來水示范系統的運行，積累了一定的經驗，為納濾自來水工程的放大提供設計依據，對錢塘江咸潮的防范、納濾自來水的制備、建立杭州地區飲水安全保障系統具有參考價值。

[1]李 峰，安全福，張 林，等.高分子納濾膜材料的研究進展[J].中國材料科技與設備，2008，1（2）：1-4.

[2]張立卿，王 磊，王旭東.納濾膜物化特征對膜分離及膜污染影響研究[J].水處理技術，2009，35(1)：24-28.

[3]侯立安，高 鑫，趙 蘭.納濾膜技術凈化飲用水的應用研究進展[J].膜科學與技術，2012，32（5）：1-7.

[4]畢 飛，陳歡林，高從堦.納濾膜去除飲用水中微量有機物的研究進展[J].現代化工，2011，31(7):21-28.

[5]畢 飛，張 林，吳禮光，等.納濾膜系統優化設計模式探討[J].膜科學與技術，2012，32（3）：11-16.

[6]陳歡林，吳禮光，陳小潔，等.錢塘江潮汐水源的飲用水膜法集成系統示范運行經驗[J].中國給水排水，2013，29（22）：98-101.

Integrated process of nanofiltration for treating tidal salty water from Qiantang River

Bi Fei1，Chen Xiaojie1，Chen Shuichao1，Chen Huanlin1，Sun Zhilin2

(1.Engineering Research Center of Membrane&Water Treatment Technology，Ministry of Education，Zhe jiang University，Hangzhou 310027，China；2.Department of Ocean Science and Technology，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China)

This study focused on preparing drinking water from the tidal salty water of Qiantang River by nanofiltration technology.Some commercial nanofiltration membranes were compared and the performance of optimized membrane was measured.A nanofiltration pilot-scale system with 500 m3/d was operated and optimized.The results showed that it was effective in removing the salt and reducing the organic pollutants from tidal salty water using nanofiltration technology，andnanofiltrationsystemcouldplayanimportantroleofsecurityfordrinkingwater.

Qiantang River；tidal salty water；nanofiltration membrane；security of the drinking water

P747

A

1009-1742(2014)07-0053-04

2014-05-11

水體污染控制與治理科技重大專項項目資助(2009ZX07424-001)

陳歡林，1948年出生，男，浙江蕭山市人，教授，研究方向為膜科學與技術；E-mail：chenhl@zju.edu.cn